raspberry pi4開(kāi)發(fā)的循跡避障快遞機(jī)器人

【摘要】在工廠的流水線上，或者生活中的物流需求上，都需要具有自動(dòng)運(yùn)行功能的機(jī)器人。為此，本文應(yīng)用了raspberry pi4芯片開(kāi)發(fā)了一款具有循跡和避障功能的快遞機(jī)器人。它可以搬運(yùn)一定容量的物品，根據(jù)傳感器技術(shù)分析路況，自動(dòng)導(dǎo)航行走至目的地。raspberry pi4芯片功能強(qiáng)大，并且具有很多的擴(kuò)展接口，可以滿足尋跡避障、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和報(bào)警功能的需求。根據(jù)它的功能可以組裝成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的送快遞機(jī)器人，滿足人們運(yùn)送物品的需要。

【關(guān)鍵詞】raspberry pi4;循跡避障;快遞機(jī)器人;自動(dòng)導(dǎo)航

【基金項(xiàng)目】廣西民族師范學(xué)院自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202010604092）。

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.01.024

目前快遞機(jī)器人應(yīng)用廣泛，但復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)器人對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。而raspberry pi4芯片相當(dāng)于一個(gè)微型電腦，在Linux系統(tǒng)中運(yùn)行。適合初學(xué)者較快入門(mén)，難度適中，滿足初學(xué)者對(duì)芯片功能的需求。為此，本文應(yīng)用了raspberry pi4芯片豐富的配備資源結(jié)合了傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件操作技術(shù)，組裝成了一個(gè)應(yīng)用方便快捷的快遞機(jī)器人。它的環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，在較窄或曲折的路徑上都可以靈活行走。也可以在本文設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用raspberry pi4芯片的拓展端口增加更多的實(shí)用功能，完成更多種類的快遞機(jī)器人設(shè)計(jì)。

1. 實(shí)現(xiàn)快遞機(jī)器人的總方案

為快遞機(jī)器人設(shè)計(jì)功能方案，機(jī)器人需要完成的功能如下：它的行走和轉(zhuǎn)彎功能要靈活;它可以自行避開(kāi)身旁的障礙物;當(dāng)設(shè)定好目地點(diǎn)后，它可以循跡自動(dòng)導(dǎo)航行走至終點(diǎn);它具備自身安全性及路線偏移自動(dòng)報(bào)警功能的系統(tǒng)。此外，為實(shí)現(xiàn)快遞機(jī)器人的基本功能構(gòu)建出基本模塊，該機(jī)器人需要構(gòu)建出避障模塊，循跡模塊和報(bào)警模塊。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航行走功能需要利用避障模塊的信息，通過(guò)raspberry pi4主控芯片處理綜合判斷后驅(qū)動(dòng)循跡模塊自動(dòng)導(dǎo)航行走來(lái)完成。在自動(dòng)導(dǎo)航行走功能運(yùn)行時(shí)要調(diào)用報(bào)警功能的模塊，確保機(jī)器人自身的安全和行走路線的正確性。

2. 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航行走

2.1 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航行走的方法

本文通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)用的紅外線傳感器來(lái)做一個(gè)循跡模塊，當(dāng)機(jī)器人走進(jìn)白色區(qū)域中時(shí)，反饋一個(gè)低電平。當(dāng)機(jī)器人走進(jìn)黑色區(qū)域中時(shí)，反饋一個(gè)高電平。通過(guò)電平的高低變化，判斷機(jī)器人行走的路線是否正確。應(yīng)用raspberry pi4主控芯片來(lái)控制機(jī)器人的行走，當(dāng)機(jī)器人走進(jìn)白色區(qū)域時(shí)，主控芯片控制機(jī)器人往相反方向行走來(lái)脫離白色區(qū)域，讓機(jī)器人走進(jìn)黑色路線區(qū)域。再利用紅外線傳感器來(lái)構(gòu)造一個(gè)避障模塊，當(dāng)機(jī)器人旁邊有障礙物時(shí)，紅外線傳感器發(fā)射的紅外線反射回來(lái)，給raspberry pi4主控芯片反饋一個(gè)低電平。沒(méi)有障礙物時(shí)，反饋一個(gè)高電平。raspberry pi4主控芯片通過(guò)有無(wú)感應(yīng)到低電平，判斷左右兩邊是否有障礙物。當(dāng)左邊有障礙物時(shí)則往右邊轉(zhuǎn)彎，當(dāng)右邊有障礙物時(shí)則往左邊轉(zhuǎn)彎。這樣，機(jī)器人就可以通過(guò)傳感器技術(shù)，對(duì)路況進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取路況信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)信息特征做出相應(yīng)動(dòng)作來(lái)完成自動(dòng)導(dǎo)航行走的功能。

2.2 系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)

在應(yīng)用raspberry pi4芯片之前，需要給raspberry pi4芯片安裝一個(gè)系統(tǒng)。本文選用一個(gè)16G大小的SD卡作為芯片的磁盤(pán)，把系統(tǒng)鏡像燒錄在SD卡里面。SD卡的容量不能過(guò)小，因?yàn)橹靼謇锏南到y(tǒng)和軟件都在SD卡里面運(yùn)行，所有的文件都在里面存取。在使用SD卡燒錄系統(tǒng)之前，需要對(duì)SD卡進(jìn)行格式化，以免安裝后的系統(tǒng)在主板里面不能運(yùn)行。當(dāng)SD卡插入主板后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行打開(kāi)一個(gè)WIFI熱點(diǎn)。在自己的筆記本電腦里安裝常用的文件傳輸軟件和遠(yuǎn)程控制軟件后，通過(guò)電腦連接熱點(diǎn)，就可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的操作系統(tǒng)了。把編寫(xiě)好的C語(yǔ)言程序代碼通過(guò)文件傳輸軟件發(fā)送到機(jī)器人的操作系統(tǒng)，再輸入指令編譯C語(yǔ)言程序文件，編譯成功后運(yùn)行程序就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的循跡避障功能了。

連接WIFI熱點(diǎn)需要用到raspberry pi4芯片系統(tǒng)鏡像的默認(rèn)熱點(diǎn)密碼，而連接文件傳輸軟件和遠(yuǎn)程控制軟件都需要用到raspberry pi4芯片系統(tǒng)鏡像的默認(rèn)IP地址和密碼。此外，C語(yǔ)言程序的編譯指令如（注意區(qū)分大小寫(xiě)字母）：

gcc 文件名.c –o 文件名 –lwiringPi

運(yùn)行程序指令如：sudo ./文件名

需要安裝的常用軟件和系統(tǒng)鏡像如圖1：

2.3 程序代碼編寫(xiě)

完成循跡避障功能的C語(yǔ)言程序代碼如下，運(yùn)行后機(jī)器人就可以自動(dòng)導(dǎo)航行走，完成快遞機(jī)器人的功能：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define BUFSIZE 512

int PWMA = 1;

int AIN2 = 2;

int AIN1 = 3;

int PWMB = 4;

int BIN2 = 5;

int BIN1 = 6;

#define LEFT 23

#define RIGHT 25

#define LEFTT 26

#define RIGHTT 27

void? t_up（unsigned int speed，unsigned int t_time）

{digitalWrite（AIN2，0）;

digitalWrite（AIN1，1）;

softPwmWrite（PWMA，speed）;

digitalWrite（BIN2，0）;

digitalWrite（BIN1，1）;

softPwmWrite（PWMB，speed）;

delay（t_time）; }

void t_stop（unsigned int t_time）

{digitalWrite（AIN2，0）;

digitalWrite（AIN1，0）;

softPwmWrite（PWMA，0）;

digitalWrite（BIN2，0）;

digitalWrite（BIN1，0）;

softPwmWrite（PWMB，0）;

delay（t_time）;}

void t_down（unsigned int speed，unsigned int t_time）

{ digitalWrite（AIN2，1）;

digitalWrite（AIN1，0）;

softPwmWrite（PWMA，speed）;

digitalWrite（BIN2，1）;

digitalWrite（BIN1，0）;

softPwmWrite（PWMB，speed）;

delay（t_time）;}

void t_left（unsigned int speed，unsigned int t_time）

{ digitalWrite（AIN2，1）;

digitalWrite（AIN1，0）;

softPwmWrite（PWMA，speed）;

digitalWrite（BIN2，0）;

digitalWrite（BIN1，1）;

softPwmWrite（PWMB，speed）;

delay（t_time）;}

void t_right（unsigned int speed，unsigned int t_time）

{ digitalWrite（AIN2，0）;

digitalWrite（AIN1，1）;

softPwmWrite（PWMA，speed）;

digitalWrite（BIN2，1）;

digitalWrite（BIN1，0）;

softPwmWrite（PWMB，speed）;

delay（t_time）; }

int main（int argc， char *argv[]）

{ float dis;

int SR;

int SL;

int SRR;

int SLL;

wiringPiSetup（）;

pinMode （1， OUTPUT）;

pinMode （2， OUTPUT）;

pinMode （3， OUTPUT）;

pinMode （4， OUTPUT）;

pinMode （5， OUTPUT）;

pinMode （6， OUTPUT）;

softPwmCreate（PWMA，0，100）;

softPwmCreate（PWMB，0，100）;

while（1）{ SR = digitalRead（RIGHT）;

SL = digitalRead（LEFT）;

SRR = digitalRead（RIGHTT）;

SLL= digitalRead（LEFTT）;

if （（SL == HIGH&&SR==HIGH&&SLL == HIGH&&SRR == HIGH）||（SL == HIGH&&SR==HIGH&&SLL == LOW&&SRR == LOW））{ printf（"GO"）;

t_up（50，0）;}

else if （（SL == HIGH&&SR == LOW）||（SLL == HIGH&&SRR == LOW））{

printf（"LEFT"）;

t_left（50，0）;}

else if （（SL == LOW&&SR == HIGH）||（SLL == LOW&&SRR == HIGH）） {? ? ? printf（"RIGHT"）;

t_right（50，0）;}

else? {? printf（"STOP"）;

t_stop（0）;}}

return 0;}

3. 安全及偏移路線報(bào)警

應(yīng)用raspberry pi4芯片和傳感器技術(shù)，來(lái)完成機(jī)器人自動(dòng)報(bào)警功能的設(shè)計(jì)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到符合報(bào)警的條件時(shí)，raspberry pi4芯片通過(guò)傳感器反饋的電位變化觸發(fā)蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身安全和偏移正確路線的報(bào)警功能。另外，還可以給快遞機(jī)器人使用兩塊raspberry pi4芯片，分別作為主機(jī)部分和從機(jī)部分。兩個(gè)芯片可以通過(guò)簡(jiǎn)單的WIFI功能相連，主機(jī)部分用來(lái)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航行走功能的操作，從機(jī)部分則用來(lái)進(jìn)行機(jī)器人自身安全性及偏移正確路線的報(bào)警功能操作。利用兩塊芯片可以提高機(jī)器人處理數(shù)據(jù)的速度，增加機(jī)器人存取信息的容量。當(dāng)然，也可以給機(jī)器人安裝高精度的測(cè)距傳感器和全方位檢測(cè)功能的超聲波傳感器，讓機(jī)器人有更強(qiáng)大的檢測(cè)報(bào)警功能。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的方法，本文成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人循跡避障的功能，組裝成了一個(gè)簡(jiǎn)易的快遞機(jī)器人進(jìn)行物品的運(yùn)送。本文應(yīng)用的raspberry pi4芯片體積雖小，卻有小型電腦般的眾多功能，深受眾多開(kāi)發(fā)者的喜愛(ài)。但本文應(yīng)用raspberry pi4芯片開(kāi)發(fā)的快遞機(jī)器人只適合運(yùn)送輕型物品，對(duì)物品的容量一般。這種小型的快遞機(jī)器人機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，以后將在眾多場(chǎng)合下廣泛應(yīng)用。對(duì)于腿腳不方便的老年人，或者需要頻繁取物品的用戶，都可以使用快遞機(jī)器人在一定的范圍內(nèi)完成所需任務(wù)。它適合各個(gè)年齡段的群體，操作簡(jiǎn)單易懂，運(yùn)行在眾多小場(chǎng)合。另外，設(shè)計(jì)機(jī)器人的初學(xué)者通過(guò)該機(jī)器人可以對(duì)紅外線傳感器和超聲波傳感器等傳感器技術(shù)有更深刻的認(rèn)識(shí)，提升實(shí)際操作能力。學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際，創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)出更多經(jīng)濟(jì)實(shí)用的產(chǎn)品。為以后的大型智能型機(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)拓知識(shí)視野，對(duì)設(shè)計(jì)智能型機(jī)器人有一定的啟發(fā)和認(rèn)識(shí)。

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作者簡(jiǎn)介：劉光曉（1996.2-）男，海南臨高人，廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，大學(xué)本科在讀。